近日，中國科學院大連化學物理研究所低碳烴綜合利用及沸石催化材料研究組研究員朱向學和李秀杰團隊，與大連理工大學教授郭新聞團隊、香港中文大學教授宋春山團隊等合作，在低碳烷烴與CO₂耦合轉化研究方面取得新進展，揭示了不同原料氣氛下（CO₂/i-C₄H₁₀摩爾比）活性相的演變規律：在優選條件下，Fe基催化劑維持在Fe₃O₄活性相，獲得相對穩定的異丁烷—CO₂耦合轉化制烯烴反應性能。

　　Fe基催化劑具有價格低廉、環境友好等優勢，被應用于催化低碳烷烴脫氫生產烯烴過程。在此過程中可引入CO₂，作為弱氧化劑促進烷烴轉化、減少積炭、抑制深度氧化，以及在生產烯烴的同時，得到副產物CO和H₂。探究CO₂驅動Fe活性相演變的規律對優化其催化性能至關重要。

大連化物所揭示烷烴與CO₂耦合轉化過程中Fe基催化劑活性相的演變規律

　　本工作中，合作團隊在異丁烷與CO₂轉化過程中研究發現，在較低的CO₂/i-C₄H₁₀進料比下，Fe基催化劑中Fe₂O₃逐漸被異丁烷還原為 -Fe，進而滲碳演變為Fe₃C；Fe₃C相是異丁烷直接脫氫的主要活性相。研究還發現，在該體系中加入CO₂，Fe₃C相表現出較高的重整和裂化活性，使CO₂轉化率提高，丁烯選擇性降低，結焦量增加；隨著原料中CO₂/i-C₄H₁₀摩爾比的增加，催化劑中的Fe物種能夠長時間保持較高的價態，即維持在Fe₃O₄相，獲得相對穩定的異丁烷轉化率和目標產物選擇性。該工作將活性相的演變與催化性能相關聯，為理解CO₂在Fe基催化劑催化烷烴脫氫反應過程中的作用，以及開發高效Fe基催化劑提供了新思路。

　　朱向學和李秀杰團隊在低碳烷烴與CO₂耦合轉化領域進行了系統的研究工作，先期已完成乙烷與CO₂耦合轉化生產乙烯、CO、H₂鐵基催化劑技術的中試放大（鏈接），以及發現鐵基雙金屬催化劑在丙烷與CO₂轉化過程也呈現出優異性能（ACS Sustainable Chem. Eng.，2021）。

　　相關工作以“Elucidating the Active Phase Evolution of Fe-based Catalysts during Isobutane Dehydrogenation with and without CO₂ in Feed Gas” 為題，發表在ACS Catalysis上。該工作的第一作者是大連化物所和大連理工大學聯合培養碩士研究生王嘉沛。該工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創新研究院合作基金、興遼英才計劃等項目的資助。

　　文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05907